Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chương 1: Dao động cơ - Chuyên đề: Con lắc lò xo - Dạng 4: Bài toán quãng đường (Có lời giải)

Nội dung text: Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chương 1: Dao động cơ - Chuyên đề: Con lắc lò xo - Dạng 4: Bài toán quãng đường (Có lời giải)

1. CHƯƠNG 1. DAO ĐỘNG CƠ B. CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI DẠNG BÀI TOÁN THỜI GIAN Ví dụ 1: Một vật dao động điều hòa với chu kì T và biên độ A. Hãy tính khoảng thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí có li độ: A A A 3 1. x A đến x . 2. x đến x . 1 2 2 1 2 2 2 A A 3 A 3 A 3. x đến x . 4. x đến x . 1 2 2 2 1 2 2 2 Lời giải 1. Tại x1 , x2 vật đi theo chiều nào? A Tại x A vật có xu hướng đi theo chiều âm. Để đến x hết thời 1 2 2 A gian ngắn nhất thì ở x vật phải đi theo chiều âm. 2 2 Xác định góc quét? A 2 Dựa vào đường tròn, ta có góc quét là arccos , suy ra A 3 T T thời gian là t 3 . 2 6 2. Có các khả năng xảy ra: A A 3 Đi từ x theo chiều âm đến x theo chiều âm. 1 2 2 2 A A 3 Đi từ x theo chiều âm đến x theo chiều dương. 1 2 2 2 A A 3 Đi từ x theo chiều dương đến x theo chiều âm. 1 2 2 2 A A 3 Đi từ x theo chiều dương đến x theo chiều dương. 1 2 2 2 A Tuy nhiên trong 4 trường hợp trên thì thời gian ngắn nhất ứng với trường hợp đi từ x theo chiều âm 1 2 A 3 đến x theo chiều âm. Chúng ta xem đường tròn hình bên để hiểu rõ hơn. 2 2 T Dựa vào đường tròn, ta có nên thời gian là t . 2 4 Trang 1
2. A 3. Thời gian ngắn nhất ứng với trường hợp vật đi từ x theo 1 2 A 3 chiều âm đến x theo chiều âm. 2 2 Dựa vào đường tròn, ta có góc quét được là , suy ra 3 6 6 T thời gian là t . 12 4. Thời gian ngắn nhất ứng với trường hợp vật đi từ vị trí có li độ A 3 A x theo chiều dương đến x theo chiều dương (xem 1 2 2 2 hình vẽ). Dựa vào đường tròn, ta có góc quét được là , suy ra 3 6 6 T thời gian là t . 12 Ví dụ 2: Một vật dao động điều hòa với chu kì T và biên độ A. Trong một chu kì, khoảng thời gian để v 1. Vận tốc có giá trị nhỏ hơn max là bao nhiêu? 2 v 2. Vận tốc có giá trị lớn hơn max là bao nhiêu? 2 v 3 3. Tốc độ có giá trị nhỏ hơn max là bao nhiêu? 2 v 3 4. Tốc độ có giá trị lớn hơn max là bao nhiêu? 2 5. Gia tốc có giá trị nhỏ hơn max là bao nhiêu? 2 Lời giải 1. Ta sẽ dùng đường tròn của li độ x hoặc cũng có thể dùng đường tròn của vận tốc v để làm, bởi vì chu kì của x,v là như nhau. Không nên dùng đường tròn của x vì ta lại mất thời gian chuyển từ điều kiện v sang điều kiện x . Ta sẽ dùng đường tròn của vận tốc. Ta có trong một chu kì, v v max ứng với phân gạch chéo ở hình vẽ. 2 Trang 2
3. v Góc quét được là 2 , suy ra trong một chu kì, thời gian để v max là 3 3 2 4 1 2T t . T . 3 2 3 v 2. Trong một chu kì, thời gian để vận tốc v max ứng với phần không gạch chéo ở hình trên. Góc quét 2 2 T được là nên thời gian cần tìm là . 3 3 v 3 v 3 v 3 3. Ta có v max max v max . Do đó trong một chu 2 2 2 v 3 kỳ, khoảng thời gian để tốc độ có giá trị nhỏ hơn max là khoảng 2 thời gian véctơ quay quét được phần không gạch chéo ở hình vẽ. 4 Góc quét được là . Từ đó suy ra 6 6 6 6 3 4 2T thời gian cần tìm là t 3 T . 2 3 v 3 v max v 3 2 4. Ta có v max do đó trong một chu kỳ, 2 v 3 v max 2 v 3 khoảng thời gian để tốc độ có giá trị max là khoảng thời gian véctơ quay quét được phần gạch chéo 2 như hình vẽ câu 3. 2 2 3 T Góc quét được là nên suy ra thời gian t T . 6 6 6 6 3 2 3 5. Ta dùng đường tròn của gia tốc a, làm tương tự các bài trên, ta thu được kết quả giống câu hỏi 1. Thời 2T gian cần tính là . 3 Ví dụ 3: Một vật dao động điều hòa với chu kì T và biên độ A. Trong một chu kì, khoảng thời gian để 1. Véctơ vận tốc và véctơ gia tốc cùng chiều? 2. Véctơ vận tốc và véctơ gia tốc ngược chiều? 3. Vật chuyển động nhanh dần? 4. Vật chuyển động chậm dần? 5. Lực hồi phục ngược chiều với véctơ vận tốc? 6. Lực hồi phục cùng chiều với véctơ vận tốc? Trang 3
4. Lời giải Dựa vào đường tròn: - Khi vật chuyển động ở góc phần tư thứ nhất (đi từ biên dương A đến vị trí cân bằng O) thì: v ngược chiều Ox, a hướng về vị trí cân bằng tức là cũng ngược chiều Ox, do đó trong góc phần tư thứ nhất, v và a cùng chiều. - Khi vật chuyển động ở góc phần tư thứ hai (đi từ vị trí cân bằng o đến biên âm) thì: v ngược chiều Ox, a hướng về vị trí cân bằng tức là cùng chiều Ox, do đó trong góc phần tư thứ hai, v và a ngược chiều. - Khi vật chuyển động ở góc phần tư thứ ba (đi từ vị trí biên âm đến vị trí cân bằng) thì: v cùng chiều Ox, a hướng về vị trí cân bằng tức là cùng chiều Ox, do đó trong góc phần tư thứ ba, v và a cùng chiều. - Khi vật chuyển động ở góc phần tư thứ tư (đi từ vị trí cân bằng đến vị trí biên dương) thì: v cùng chiều Ox, a hướng về vị trí cân bằng tức là ngược chiều Ox, do đó trong góc phần tư thứ tư, v và a ngược chiều. a  v a  v II 0  A  I A 0  F hp  v F hp  v Tóm lại, ta có a  v a  v III A 0  IV 0  A  F hp  v F hp  v Vật chuyển động nhanh dần khi a và v cùng chiều, tức là khi vật chuyển động thuộc góc phần tư thứ I và thứ III. Lúc này vật đi từ biên về vị trí cân bằng. Vật chuyển động chậm dần khi a và v ngược chiều, tức là khi vật chuyển động thuộc góc phần tư thứ II và thứ IV. Lúc này vật đi từ vị trí cân bằng đến biên. * Quay trở lại bài toán: 1. Véctơ vận tốc và véctơ gia tốc cùng chiều? Trong một chu kì, véctơ vận tốc và véctơ gia tốc cùng chiều khi véctơ quay quét góc phần tư thứ I và góc T phần tư thứ III của đường tròn. Tổng góc quét là , suy ra thời gian cần tìm là . 2 2 2 2. Véctơ vận tốc và véctơ gia tốc ngược chiều? Trong một chu kì, véctơ vận tốc và véctơ gia tốc ngược chiều khi véctơ quay quét góc phần tư thứ II và T góc phần tư thứ IV của đường tròn. Tổng góc quét là , suy ra thời gian cần tìm là . 2 2 2 3. Vật chuyển động nhanh dần? Trong một chu kì, vật chuyển động nhanh dần khi vật đi từ biên về vị trí cân bằng, véctơ quay quét góc phần tư thứ I và góc phần tư thứ III của đường tròn. Trang 4
5. T Tổng góc quét là , suy ra thời gian cần tìm là . 2 2 2 4. Vật chuyển động chậm dần? Trong một chu kì, vật chuyển động chậm dần khi vật đi từ vị trí cân bằng ra biên, véctơ quay quét góc phần tư thứ II và góc phần tư thứ IV của đường tròn. Tổng góc quét là , suy ra thời gian cần 2 2 T tìm là . 2 5. Lực hồi phục ngược chiều với véctơ vận tốc? Trong một chu kì, lực hồi phục ngược chiều với véctơ vận tốc khi vật đi từ vị trí cân bằng ra biên, véctơ quay quét góc phần tư thứ II và góc phần tư thứ IV của đường tròn. Tổng góc quét là , suy ra 2 2 T thời gian cần tìm là . 2 6. Lực hồi phục cùng chiều với véctơ vận tốc? Trong một chu kì, lực hồi phục cùng chiều với véctơ vận tốc khi vật đi từ biên về vị trí cân bằng, véctơ quay quét góc phần tư thứ I và góc phần tư thứ III của đường tròn. Tổng góc quét là , suy ra 2 2 T thời gian cần tìm là . 2 STUDY TIP Có thể nhớ nhanh như sau: vì một trong 2 vị trí biên thì tốc độ bằng 0, ở vị trí cân bằng thì tốc độ cực đại, nên chuyển động nhanh dần khi vật đi từ biên về vị trí cân bằng, chuyển động chậm dần khi vật đi từ vị trí cân bằng ra biên. Chú ý Trong quá trình dao động của vật thì véctơ vận tốc v luôn cùng chiều chuyển động, còn véctơ gia tốc a  luôn hướng về vị trí cân bằng. Lực hồi phục F k x nên lực hồi phục ngược chiều li độ, mà li độ ngược  chiều với gia tốc a nên lực hồi phục F cùng chiều với gia tốc a . Ví dụ 4: Khi một vật dao động điều hòa thì véctơ vận tốc A. luôn đổi chiều khi đi qua gốc tọa độ. B. luôn cùng chiều với véctơ gia tốc. C. luôn đổi chiều khi vật chuyển động đến vị trí biên. D. luôn ngược chiều với véctơ gia tốc. Lời giải Trang 5
6. A. Sai, vì khi qua gốc tọa độ vật chưa đổi chiều chuyển động nên vectơ vận tốc chưa đổi chiều. B. Sai, vì chỉ cùng chiều với vectơ gia tốc khi vật chuyển động nhanh dần, tức là khi vật đi về vị trí cân bằng. C. Đúng vì khi đến vị trí biên thì vật đổi chiều chuyển động nên vectơ vận tốc cũng thay đổi theo. D. Sai, vì chỉ ngược chiều với vectơ gia tốc khi vật chuyển động chậm dần, tức là khi vật đi ra biên. Đáp án C Ví dụ 5: Chọn phát biểu đúng khi vật dao động điều hòa A. Véctơ vận tốc v , véctơ gia tốc a của vật là các véctơ không đổi. B. Véctơ vận tốc v , vécto gia tốc a đổi chiều khi qua vị trí cân bằng. C. Véctơ vận tốc v , véctơ gia tốc a cùng chiều chuyển động của vật. D. Véctơ vận tốc v hướng cùng chiều chuyển động, véctơ gia tốc a hướng về vị trí cân bằng. Lời giải A. Sai vì vận tốc và gia tốc biến thiên điều hòa theo thời gian nên véctơ vận tốc v , véctơ gia tốc a của vật là các véctơ thay đổi. B. Sai vì khi đi qua vị trí cân bằng thì vật chưa đổi chiều nên véctơ vận tốc cũng chưa đổi chiều. C. Sai vì véctơ vận tốc v , véctơ gia tốc a cùng chiều chuyển động của vật chỉ khi vật chuyển động từ biên về vị trí cân bằng. D. Đúng. Đáp án D Ví dụ 6: Một vật dao động điều hòa với phương trình x 5cos 4 t cm . Trong một chu kì kể từ 3 thời điểm ban đầu, tìm khoảng thời gian để vận tốc có giá trị dương và vật chuyển động chậm dần? 7 5 5 1 A. s t s .B. s t s . 24 12 24 12 5 1 1 6 C. s t s . D. s t s . 24 2 2 5 Lời giải Vận tốc dương khi vật chuyển động theo chiều dương (đi từ A đến A ) và vật chuyển động chậm dần khi từ vị trí cân bằng ra biên. Do đó, trong một chu kì kể từ thời điểm ban đầu, khoảng thời gian để vận tốc có giá trị dương và vật chuyển động chậm dần ứng với vật chuyển động từ vị trí cân bằng ra biên dương, ứng với véctơ quay của vật nằm trong góc phần tư thứ IV. Tức là pha của vật nằm trong góc phần tư thứ IV.Khi đó ta có 3 7 5 4 t 2 s t s 2 3 24 12 Đáp án A Trang 6
7. Ví dụ 7: Vật dao động điều hòa với phương trình x 5 2cos t cm . Các thời điểm vật chuyển 4 động qua vị trí có tọa độ x 5cm theo chiều dương của trục Ox là 3 3 A. t 2k s k ¥ * .B. t 2k s k ¥ * . 2 2 1 C. t 1 2k s k ¥ * .D. t 2k s k ¥ * . 2 Lời giải Cách 1: Giải theo phương pháp đại số Vật đi qua vị trí x 5cm và chuyển động theo chiều dương v 0 nên ta có hệ 1 3 x 5 2cos t 5 cos t t k2 4 4 2 4 4 ,k ¢ v 5 2 sin t 0 sin t 0 sin t 0 4 4 4 3 1 t k2 t 2k,k ¢ 4 4 2 Vì t 0 nên k 0,25 mà k ¢ nên k ¥ *. Cách 2: Giải theo đường tròn Thời gian cần tính gồm 2 phần: + Thời gian ngắn nhất vật đi từ vị trí ban đầu (vị trí ứng với t 0, x0 5cm và đang chuyển động theo chiều dương) đến lúc vật đi qua vị trí x 5cm theo chiều dương lần thứ nhất. Dựa vào đường tròn, dễ dàng tính được góc quét là 3 3T 3 , suy ra thời gian t s . 4 4 2 0 4 2 + Thời gian vật đi qua x 5cm theo chiều dương k lần tiếp theo. Thời gian này chính bằng k lần chu kì, vì khi vật đang ở x 5cm theo chiều dương thì sau k chu kì, vật vẫn đi qua x 5cm theo chiều dương. 3 3 1 Vậy t kT 2k với k 0,1,2,3, , tương đương với t 2k , k 0,1,2,3, , (không chọn 2 2 2 đáp án A vì ở đáp án A k ¥ * thiếu mất k 0 ). Đáp án D STUDY TIP Đối với những bài đi qua vị trí có li độ x biết rõ chiều (âm hay dương), nên ta giải bằng phương pháp đại Trang 7
8. 1 số để đỡ nhầm lẫn và dễ hình dung hơn. Ngoài ra, với kết quả bài toán là t 2k , k 0,1,2,3, , thì: 2 + k 1 ứng với thời điểm vật chuyển động qua vị trí có tọa độ x 5cm theo chiều dương của trục Ox lần thứ nhất. + k 2 ứng với thời điểm vật chuyển động qua vị trí có tọa độ x 5cm theo chiều dương của trục Ox lần thứ hai. Người ra đề có thể không hỏi tổng quát mà hỏi giá trị cụ thể của k, nên ta cần lưu ý điều này. Ví dụ 8: Một vật dao động điều hòa với phương trình x 4cos 4 t cm . Xác định thời điểm vật đi 6 qua vị trí x 2cm lần thứ 2011 12061 12049 12025 A. s . B. s . C. s . D. Đáp án khác. 24 24 24 Lời giải Cách 1: Giải theo phương pháp đại số Thời điểm vật đi qua vị trí x 2cm (không kể chiều nào nên ta không cần phương trình vận tốc âm hay dương) được xác định theo phương trình 1 k 4 t k2 t ,k ¥ 6 3 24 2 x 4cos 4 t 2 6 1 m 4 t m2 t ,m ¥ * 6 3 8 2 1 1 1 k 0 ta có t0 , đi qua x 2cm lần thứ nhất k . 24 2 3 2 m 1 ta có t1 t0 , đi qua x 2cm lần thứ hai m . 8 2 13 3 1 k 1 ta có t2 t1 , đi qua x 2cm lần thứ ba k . 24 2 . 7 4 m 2 ta có t3 t2 , đi qua x 2cm lần thứ tư m . 8 2 n 1 n Tổng quát với n là số lần đi qua vị trí x 2cm thì ứng với k ;m 2 2 Ở đây k ¥ ,m ¥ * 2011 1 1 1005 12061 Như vậy đi qua 2011 lần thì ứng với k 1005 , vào thời điểm t s . 2 24 2 24 Cách 2: Sử dụng đường tròn Trang 8
9. Vị trí ban đầu của vât với pha ban đầu là ứng với chất điểm 6 chuyển động tròn đều trên đường tròn là điểm M 0 . Vì chỉ tính vật qua vị trí x 2cm mà không xét đến chiều chuyển động nên cứ mỗi vòng quay của véctơ quay, vật qua vị trí x 2cm hai lần tương ứng với chất điểm trên đường tròn là các điểm M1 và M 2 . Lần thứ nhất đi qua x 2cm ứng với chất điểm trên đường tròn đi từ M 0 đến M1 , véctơ quét được góc . Muốn có lần thứ 2011, vật cần phải đi qua 2010 lần nữa, vậy 6 véctơ quay phải quay thêm được 1005 vòng nữa. 12061 Vậy tổng góc quét là: 1005.2 6 6 12061 12061 Từ đó ta tính được thời điểm qua x 2cm lần thứ 2011 là: t 6 s 4 24 Đáp án A Ví dụ 9: Một chất điểm dao động điều hòa với phương trình x Acos 2 t cm . Trong thời gian 4 6053 giây đầu tiên kể từ thời điểm ban đầu 3 A 1. Chất điểm đi qua vị trí có li độ x theo chiều âm bao nhiêu lần? 2 A 2. Chất điểm đi qua vị trí có li độ x bao nhiêu lần? 2 Lời giải 1. Đề bài nói rõ chiều nên ta dùng phương pháp đại số sẽ nhanh hơn. A Chất điểm đi qua vị trí có li độ x theo chiều âm v 0 nên ta có hệ 2 A x Acos 2 t 2 t 2k 4 2 4 3 v 2 Asin 2 0 sin 2 0 4 4 1 2 t 2k t k,k 0,1,2,3, 4 3 24 Trang 9
10. 1 6053 Ta có 0 t k 0,0416 k 2017,625 do đó k 0;2017 và k là số tự nhiên nên có 24 3 A 2018 giá trị của k , suy ra chất điểm đi qua x theo chiều âm 2018 lần. 2 Nếu ta giải theo đường tròn thì thế nào? Ta sẽ giải theo quy trình như sau: Bước 1: Kiểm tra xem thời điểm t1 vật đang ở đâu và đi theo chiều nào? Bước 2: Tính xem trong khoảng thời gian t của đề bài thì véctơ quay quét được một góc bao nhiêu, tách góc đó theo k.2 x với 0 x 2 ,k ¢ . (Tách như vậy là bởi vì cứ véc tơ quay quét được 1 vòng 2 thì vật luôn đi qua vị trí có li độ X bất kì hai lần (không kể chiều); đi qua vị trí có li độ X bất một lần (kể chiều âm hay dương)). Bước 3: Dùng đường tròn suy ra kết quả bài toán. Ta có: + Tại thời điểm ban đầu t 0 vật có pha là tức là đang 4 A ở vị trí có li độ x và đang đi theo chiều âm. 2 6053 + Ta có góc véctơ quay quét được trong giây đầu là 3 6053 2 4 .2 2017.2 .2 2017.2 3 3 3 A + Vì sau khi quét góc 2017.2 thì vật đi qua x theo chiều âm 2017 lần, và đang ở vị trí ban đầu, vẫn 2 1 có pha là tức là vẫn đang ở vị trí có li độ x và đang đi theo chiều âm. 4 2 4 A Ta xét xem khi véctơ quay quét thêm góc thì vật có qua x theo chiều âm lần nào nữa không? 3 2 4 4 Thì dựa vào đường tròn, ta thấy sau khi quét thêm góc để cho đủ 2017.2 thì vật đi qua vị trí 3 3 A x theo chiều âm thêm một lần nữa. 2 A Vậy chất điểm đi qua x theo chiều âm 2018 lần. 2 A 2.Tương tự như trên, nhưng sau khi quét góc 2017.2 thì vật đi qua x 2017.2 4034 lần và sau khi 2 4 4 A quét tiếp góc để cho đủ 2017.2 thì vật đi qua vị trí x thêm một lần nữa. 3 3 2 Trang 10
11. A Vậy chất điểm đi qua x theo chiều âm 4035 lần. 2 Ví dụ 10: Một con lắc lò xo gồm lò xo nhẹ và vật nhỏ khối lượng 100g đang dao động điều hòa theo phương ngang, mốc tính thế năng tại vị trí cân bằng. Từ thời điểm t 0 đến t s , động năng của 1 2 48 con lắc tăng từ 0,096J đến giá trị cực đại rồi giảm về 0,064J . Ở thời điểm t2 thế năng của con lắc bằng 0,064J . Biên độ dao động của con lắc là A. 5,7 cm.B. 7,0 cm.C. 8,0 cm. D. 3,6 cm. Lời giải Ở thời điểm t2 ta thấy, con lắc có động năng là 0,064J và thế năng là 0,064J . Suy ra cơ năng của con lắc là 0,064J 0,064J 0,128J . m 2 A2 - Có cơ năng tức là có W 0,128J 1 mà đề bài cho khối lượng, như vậy để tính biên độ ta cần 2 tính được  . - Đề bài cho từ thời điểm t 0 đến t s , động năng của con lắc tăng từ 0,096J đến giá trị cực đại 1 2 48 rồi giảm về 0,064J nên ta sẽ tìm xem thời gian t2 t1 bằng bao nhiêu lần chu kì, từ đó suy ra  . Muốn tính được, ta cần biết tại t1 và t2 , chất điểm ở đâu x ? và đi theo chiều nào? Thật vậy, ta có: Tại thời điểm t1 0 ta có Wd 0,096J nên suy ra thế năng 2 Wt x Wt A Wt 0,128 0,096 0,032J , mà , hay x , nên li độ tại thời điểm này là: x1 . W A W 2 - Tương tự, tại thời điểm t2 ta có Wt 0,064J nên li độ tại A thời điểm này là: x . 2 2 Theo bài ra, từ thời điểm t1 đến thời điểm t2 , động năng của con lắc tăng đến giá trị cực đại rồi giảm, tức là thế năng của con lắc giảm đến 0 rồi tăng, tương ứng với vật đi từ vị trí có A A li độ x , qua vị trí cân bằng, rồi đến x hoặc 1 2 2 2 ngược lại. Cả hai trường hợp đều cho ta góc quét được trên 5 5T đường tròn là , ứng với thời gian . Vậy ta có 12 24 5T  20rad / s 48 24 - Thay  20rad / s vào (1) ta tính được A 8cm . Trang 11
12. Đáp án C Ví dụ 11: Một con lắc lò xo dao động điều hòa theo phương ngang với tần số góc  . Vật nhỏ của con lắc có khối lượng 100g. Tại thời điểm t 0 , vật nhỏ qua vị trí cân bằng theo chiều dương. Tại thời điểm t 0,95s , vận tốc v và li độ x của vật nhỏ thỏa mãn v x là thứ 5. Lấy 2 10 . Độ cứng của lò xo là A. 85 N/m.B. 37 N/m.C. 20 N/m. D. 25 N/m. Lời giải Để tính được độ cứng của lò xo, ta cần tính được  , hay tính được chu kì của vật. v2 A Khi v x ta có A2 x2 x2 x2 , suy ra x . Vậy,  2 2 A khi v x thì vật đi qua vị trí có li độ x theo chiều âm, 2 A hoặc qua vị trí có li độ x theo chiều dương. 2 Từ đó suy ra: 1 chu kì sẽ có hai lần vận tốc và li độ thỏa mãn T T v x , dựa vào đường tròn suy ra 0,95 2T T 0,4s . 4 8 4 2m Độ cứng của lò xo k 25N / m . T 2 Đáp án D Ví dụ 12: Một chất điểm dao động điều hòa có vận tốc cực đại 60 cm/s và gia tốc cực đại là 2 m / s2 . Chọn mốc thế năng tại vị trí cân bằng. Thời điểm ban đầu t 0 , chất điểm có vận tốc 30 cm/s và thế năng đang tăng. Chất điểm có gia tốc bằng m / s2 lần đầu tiên ở thời điểm A. 0,35s.B. 0,15s.C. 0,10s. D. 0,25s. Lời giải 10  rad / s vmax 60cm / s A 3 Theo bài ra ta có a 2 m / s2  2 A 18 max A cm Tại thời điểm t 0 vận tốc dương 30 cm/s và thế năng đang tăng, suy ra vật đang ở vị trí có li độ dương và đang hướng về biên dương theo chiều dương. v2 9 3 9 Li độ khi đó là x A cm . Khi  2 x x .  2 Trang 12
13. 9 3 9 Bài toán trở về tìm thời gian ngắn nhất vật đi từ x cm theo chiều dương đến vị trí có li độ x . Dựa vào đường tròn suy ra góc quét trong thời gian này là 5 5 5 t 6 6 0,25s . 6 2 6 6  10 3 Đáp án D Ví dụ 13: Một lò xo nhẹ có độ cứng 75 N/m, đầu trên của lò xo treo vào một điểm cố định. Vật A có khối lượng 0,1 kg được treo vào đầu dưới của lò xo. Vật B có khối lượng 0,2 kg treo vào vật A nhờ một sợi dây mềm, nhẹ, không dãn và đủ dài để khi chuyển động vật A và vật B không va chạm nhau (hình bên). Ban đầu giữ vật B để lò xo có trục thẳng đứng và dãn 9,66 cm (coi 9,66 4 4 2 ) rồi thả nhẹ. Lấy g 10m / s2 và 2 10 . Thời gian tính từ lúc thả vật B đến khi vật A dừng lại lần đầu là? A. 0,23s.B. 0,19s.C. 0,21s. D. 0,17s. Lời giải 0,3.10 Ban đầu hệ gồm 2 vật A, B có l 0,04m 4cm 01 75 + Thời điểm t 0 giữ vật B ở vị trí lò xo dãn 4 4 2cm và thả nhẹ, suy ra biên độ dao động: A1 4 4 2 4 4 2cm + Tại vị trí lò xo không biến dạng thì dây bị chùng (do T 0 ) nên 2 vật tách nhau ở đây, hệ chỉ còn lại vật A dao động m g 4 4 + l 2 cm , vậy vật A lúc này cách VTCB mới O' 1 đoạn đúng bằng l cm x (chọn 02 k 3 02 3 2 chiều dương hướng xuống) + Khi tách nhau, hệ vật A và B ở vị trí cách VTCB cũ O một đoạn bằng 4cm. Vận tốc 2 2 2 k 2 v 1 A x . 4 2 4 20 10cm / s m1 m2 2 2 2 2 v 4 20 10 8 Biên độ dao động mới: A2 x2 2 cm  3 75 3 2 0,1 Trang 13
14. + Tại vị trí của A lúc này A đang có xu hướng chuyển động tới vị trí biên âm và đó là vị trí mà A dừng lại 4 ar cos 3 8 T lần đầu t 3 T 2 2 2 6 + Thời gian tính từ lúc thả vật B đến lúc A dừng lại là 0,1 2 T T T 0,4 0,4 t 1 1 2 75 0,188s . 4 8 6 4 8 6 Đáp án B BÀI TẬP RÈN LUYỆN KĨ NĂNG Dạng 1: Bài tập xác định thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí A đến vị trí B. Câu 1: Một vật dao động điều hòa với chu kì T . Hãy xác định thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí cân A 2 bằng đến . 2 T T T T A. . B. .C. .D. . 8 4 6 12 A Câu 2: Một vật dao động điều hòa với chu kì T . Hãy xác định thời gian ngắn nhất để vật đi từ đến 2 A 3 . 2 T T T T A. . B. .C. .D. . 8 4 6 12 A Câu 3: Một vật dao động điều hòa với chu kì T . Hãy xác định thời gian ngắn nhất để vật đi từ đến vị 2 trí cân bằng theo chiều dương. T 3T 7T 5T A. . B. .C. .D. . 2 4 12 6 Câu 4: Một vật dao động điều hòa với phương trình x 5cos 4 t cm . Xác định thời gian để vật đi 2 từ vị trí 2,5cm đến 2,5cm . 1 1 1 1 A. s .B. s . C. s .D. s . 12 10 20 6 Câu 5: Một vật dao động điều hòa với phương trình là x 4cos 2 t . Thời gian ngắn nhất để vật đi qua vị trí cân bằng kể từ thời điểm ban đầu là: A. t 0,25s .B. t 0,75s . C. t 0,5s .D. t 1,25s . Câu 6: Thời gian ngắn nhất để một vật dao động điều hòa với phương trình x 10cos t cm đi từ 2 vị trí cân bằng đến vị trí biên Trang 14
15. A. 2,00s.B. 1,00s.C. 0,50s. D. 0,25s. Câu 7: Một vật dao động điều hòa từ A đến B với chu kỳ T, vị trí cân bằng O. Trung điểm OA, OB là M, N. Thời gian ngắn nhất để vật đi từ M đến N là s . Hãy xác định chu kỳ dao động của vật. 30 1 1 1 1 A. s .B. s .C. s . D. s . 4 5 10 6 Câu 8: Một vật dao động điều hoà với phương trình x 4cos 10t cm . Xác định thời điểm đầu tiên 2 vật đi đến vị trí có gia tốc là 2m / s2 và vật đang tiến về vị trí cân bằng 1 A. s .B. s .C. s . D. s . 12 60 10 30 Câu 9: Một vật dao động điều hoà, với biên độ A 10cm , tốc độ góc 10 rad / s . Xác định thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí có vận tốc cực đại đến vị trí có gia tốc a 50m / s2 . 1 1 1 A. s .B. s .C. s D. s 60 45 30 32 Dạng 2: Bài toán trong một chu kì thời gian để vật thỏa mãn điều kiện cho trước? Câu 10: Một vật dao động điều hoà với phương trình x 5cos 10t cm . Trong một chu kì thời gian vật có vận tốc nhỏ hơn 25cm/s là: 4 1 1 A. s .B. s . C. s .D. s . 15 15 30 60 Câu 11: Một vật dao động điều hoà với phương trình x 5cos 10t cm . Trong một chu kì thời gian vật có tốc độ nhỏ hơn 25cm/s là: 1 1 A. s .B. s .C. s .D. s . 15 30 30 60 Câu 12: Một vật dao động điều hoà với tần số góc là 10 rad/s và biên độ 2cm. Thời gian mà vật có độ lớn vận tốc nhỏ hơn 10 3cm / s trong mỗi chu kì là? 2 4 A. s .B. s . C. s .D. s . 15 15 30 15 Câu 13: Một vật dao động điều hoà với phương trình x Acos t cm . Biết quãng đường vật đi 3 2 được trong thời gian l(s) là 2A và s đầu tiên là 9 cm. Giá trị của A và  là 3 A. 9cm và rad/s.B. 12cm và 2 rad/s.C. 6cm và rad/s.D. 12cm và rad/s. Câu 14: Một con lắc lò xo dao động điều hòa với chu kì T và biên độ 5 cm. Biết trong một chu kì T T khoảng thời gian để vật nhỏ của con lắc có độ lớn gia tốc không vượt T quá 100cm / s2 là . Lấy 3 2 10 . Tần số dao động của vật là A. 4 Hz.B. 3 Hz.C. 2 Hz. D. 1 Hz. Dạng 3: Bài toán xác định thời điểm vật qua vị trí cho trước Trang 15
16. Câu 15: Vật dao động điều hòa theo phương trình x Acos t cm . Thời điểm vật đi qua vị trí cân 6 bằng là: 2 1 A. t 2k s ,k ¥ .B. t 2k s ,k ¥ . 3 3 2 1 C. t k s ,k ¥ .D. t k s ,k ¥ . 3 3 Câu 16: Vật dao động điều hòa với phương trình x 5 2cos t cm . Các thời điểm vật chuyển 4 động qua vị trí có tọa độ x 5cm theo chiều dương của trục Ox là: 3 3 A. t 2k s , k ¥ .B. t 2k s , k ¥ * . 4 2 1 C. t 1 2k s , k ¥ . D. t 2k s , k ¥ * . 3 Câu 17: Vật dao động điều hòa theo phương trình x Acos 2 t cm . Thời điểm vật đi qua vị trí cân 3 bằng theo chiều âm là: 1 5 A. t k s , k 1,2,3, .B. t k s , k 1,2,3, . 12 12 1 k 1 C. t s , k 1,2,3, .D. t k s , k 1,2,3, . 12 2 15 Câu 18: Vật dao động điều hòa trên phương trình x 4cos 4 t cm . Thời điểm vật đi qua vị trí có li 6 độ x 2cm theo chiều dương là: 1 k 1 k A. t s , k 1,2,3, .B. t s , k 1,2,3, . 8 2 24 2 k 1 k C. t s , k 1,2,3, D. t s , k 1,2,3, 2 6 2 Câu 19: Một vật dao động điều hoà có vận tốc thay đổi theo quy luật: v 10 cos 2 t cm . Thời 6 điểm vật đi qua vị trí x 5cm là: 3 2 1 1 A. s .B. s .C. s .D. s . 4 3 3 6 Câu 20: Vật dao động với phương trình x 5cos 4 t cm . Tìm thời điểm vật đi qua điểm có tọa độ 6 x = 2,5cm theo chiều dương lần thứ nhất. 3 2 6 A. s .B. s .C. s .D. 0,38s. 4 3 8 Câu 21: Vật dao động với phương trình x 5cos 4 t cm . Tìm thời điểm vật đi qua vị trí biên 6 dương lần thứ 4 kể từ thời điểm ban đầu. Trang 16
17. A. 1,69s.B. 1,82s.C. 2,00s. D. 1,96s. Câu 22: Vật dao động với phương trình x 5cos 4 t cm . Tìm thời điểm vật qua vị trí cân bằng lần 6 thứ 4 kể từ thời điểm ban đầu 6 4 5 A. s .B. s .C. s .D. Không đáp án. 5 6 6 Câu 23: Một vật dao động điều hòa trên trục x 'Ox với phương trình x 10cos t cm . Thời điểm để vật qua theo chiều âm x 5cm lần thứ hai kể từ t = 0 là: 1 13 7 A. s .B. s . C. s .D. 1s. 3 3 3 Câu 24: Một vật dao động điều hòa với phương trình chuyển động x 2cos 4 t cm . Thời điểm để 2 vật đi qua li độ x 3cm theo chiều âm lần đầu tiên kể từ thời điểm t = 2s là: 27 4 13 10 A. s .B. s .C. s . D. s . 12 3 6 3 Câu 25: Một vật dao động điều hòa với phương trình x Acos t cm , chu kì T. Kể từ thời điểm 3 ban đầu thì sau thời gian bằng bao nhiêu lần chu kì, vật qua vị trí cân bằng theo chiều âm lần thứ 2011? T T 7T A. 2011T .B. 2011T .C. 2010T . D. 2010T . 24 12 12 Câu 26: Một vật dao động điều hòa với phương trình x Acos t cm , chu kì T. Kể từ thời điểm 3 ban đầu thì sau thời gian bằng bao nhiêu lần chu kì, vật qua vị trí cân bằng theo chiều âm lần thứ 2012? T T 7T A. 2011T .B. 2011T .C. 2011T .D. 2011T . 24 12 12 Câu 27: Một vật dao động điều hòa với phương trình x Acos t , chu kì T. Kể tà thời điểm ban đầu thì sau thời gian bằng bao nhiêu lần chu kì, vật qua vị trí cân bằng lần thứ 2012? T T 3T A. 1006T . B. 1006T .C. 1005T .D. 1005T . 4 2 2 Câu 28: Một vật dao động điều hòa với phương trình x Acos t cm , chu kì T. Kể từ thời điểm 6 A ban đầu thì sau thời gian bằng bao nhiêu lần chu kì, vật qua vị trí cách vị trí cân bằng lần thứ 2001? 2 T T A. 500T .B. 200T . C. 500T .D. 200T . 12 12 Dạng 4: Xác định số lần vật đi qua vị trí x trong khoảng thời gian t Câu 29: Vật dao động điều hòa với phương trình x 5cos 2 t cm . Xác định số lần vật đi qua vị trí 6 x 2,5cm trong một giây đầu tiên? A. 1 lần.B. 2 lần.C. 3 lần. D. 4 lần. Trang 17
18. Câu 30: Vật dao động điều hòa với phương trình x 5cos 2 t cm . Xác định số lần vật đi qua vị trí 6 x 2,5cm theo chiều dương trong một giây đầu tiên? A. 1 lần.B. 2 lần.C. 3 lần. D. 4 lần. Câu 31: Vật dao động điều hòa với phương trình x 5cos 4 t cm . Xác định số lần vật đi qua vị trí 6 x 2,5cm rong một giây đầu tiên? A. 1 lần.B. 2 lần.C. 3 lần. D. 4 lần. Câu 32: Vật dao động điều hòa với phương trình x 5cos 5 t cm . Xác định số lần vật đi qua vị trí 6 x 2,5cm trong một giây đầu tiên? A. 5 lần.B. 2 lần.C. 3 lần. D. 4 lần. Câu 33: Vật dao động điều hòa với phương trình x 5cos 6 t cm . Xác định số lần vật đi qua vị trí 6 x 2,5cm theo chiều âm kể từ thời điểm t 2s đến t 3,25s ? A. 2 lần.B. 3 lần.C. 4 lần. D. 5 lần. Câu 34: Vật dao động điều hòa với phương trình x 5cos t cm . Xác định số lần vật đi qua vị trí 6 x 2,5cm kể từ thời điểm t 1,675s đến t 3,415s ? A. 10 lần.B. 11 lần.C. 12 lần. D. 5 lần. ĐÁP ÁN 1-A 2-B 3-C 4-A 5-A 6-C 7-B 8-A 9-A 10-B 11-A 12-A 13-C 14-D 15-C 16-D 17-B 18-A 19-B 20-A 21-D 22-C 23-C 24-C 25-B 26-B 27-B 28-C 29-B 30-A 31-D 32-A 33-C 34-B HƯỚNG DẪN GIẢI CHI TIẾT Dạng 1: Bài toán xác định thời gian ngắn nhất để đi từ vị trí A đến vị trí B Câu 1: Đáp án A A 2 Thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí cân bằng đến vị trí là khoảng thời gian mà vật quay được góc 2 T nên khoảng thời gian nhỏ nhất cần tìm là: t . 4 8 Câu 2: Đáp án B A A 3 Thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí đến vị trí khi vật đang chuyển động theo chiều âm của 2 2 T trục Ox là khoảng thời gian mà vật quay được góc nên t . 2 4 Trang 18
19. Câu 3: Đáp án C A Thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí theo chiều âm đến vị trí cân bằng theo chiều dương là: 2 7 7T t min 6 s . min  2 12 T Câu 4: Đáp án A 1 Thời gian để vật đi từ vị trí x = 2,5cm đến vị trí x 2,5cm là: t min 3 s  4 12 Câu 5: Đáp án A T 1 Thời gian ngắn nhất để vật đi qua vị trí cân bằng kể từ thời điểm ban đầu là: t 0,25s min 4 4 Câu 6: Đáp án C T 2 Thòi gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí cân bằng đến vị trí biên là: t 0,5s min 4 4 Câu 7: Đáp án B Thời gian ngắn nhất vật đi từ vị trí M đến N ứng với vật quay một góc nên tần số góc của dao 3 động là:  3 10 rad / s t 1 30 2 2 1 Vậy chu kỳ dao động của vật là: T s .  10 5 Câu 8: Đáp án A Khoảng thời gian vật đi đến vị trí có gia tốc là 2m / s2 và vật đang tiến về vị trí cân bằng là: 5 t 6 s  10 12 Vậy nên thời điểm đầu tiên là: t t t s . 1 0 12 Câu 9: Đáp án A Gia tốc lớn nhất của vật là: 2 2 amax A 0,1. 10 100 m / s Thời gian ngắn nhất vật đi từ vị trí có vận tốc cực đại đến vị trí có gia tốc a 50 m / s2 là: Trang 19